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近年来,晶圆键合技术因能够制造绝缘体硅衬底,并能应用于3D微器件多层封装,而被视作微电子机械系统制造(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)中一种重要的连接方式。在众多互连方法中,瞬态液相扩散连接技术(Transient-Liquid-Phase,TLP)能够在较低的烧结温度下形成高熔点金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMC)接头而被广泛应用于MEMS器件的封装互连。在集成电路封装领域,互连接头通常是由两种不同的金属基板或金属化层组成,其中非对称的Ni/Sn/Cu体系已被广泛地应用在当前倒装芯片组装结构中。本文研究了钎焊温度对Ni/Sn/Cu体系TLP连接过程中界面冶金反应的影响,表征了接头晶粒形貌演变规律,揭示了钎焊温度及Ni浓度对IMC晶粒形貌演变的影响机制,初步评价了晶粒形貌对接头力学性能的影响规律;在Ni/Sn/Cu互连基础上,研究了Ni颗粒添加对Cu-Sn接头TLP连接过程中IMC晶粒形核机制的影响,从理论与实验上诠释了Ni颗粒添加量和钎焊温度对IMC晶粒细化的影响规律。论文主要研究结果总结如下:采用TLP技术完成Ni/Sn/Cu互连,分别在260℃,300℃和340℃钎焊温度下获得全IMC接头。由于Cu/Ni交互作用的存在,Ni元素在接头中建立起一定的浓度梯度,通过热力学计算可知,(Cu,Ni)6Sn5晶粒形貌变化与接头中Ni元素浓度分布有关,并受钎焊温度影响;不同钎焊温度获得的接头剪切强度依次为49.8MPa、50.3 MPa、42.7 MPa,260℃接头中细颗粒状晶粒区杨氏模量及压痕硬度值最高,分别为:157.44GPa/7.98GPa。采用TLP技术在260℃完成不同Ni颗粒含量的Cu/Sn-x wt%Ni/Cu互连,然后分别在260℃,300℃和340℃钎焊温度下完成Cu/Sn-4 wt%Ni/Cu互连并获得全IMC接头。Ni颗粒的添加促使(Cu,Ni)6Sn5相在整个液相钎料中弥散生长,增加了反应界面面积的同时极大提高了初始晶粒的成核数量,并有效地阻止了晶粒合并,在Cu-Sn接头中建立了一种有效地细化IMC晶粒的方法。随着Ni含量提高,(Cu,Ni)6Sn5晶粒细化程度提高,Cu3Sn层生长抑制作用越强烈,当Ni含量达到6wt%时,两侧Cu3Sn层几乎完全消失,形成了致密的完全由(Cu,Ni)6Sn5相组成的接头,其中(Cu,Ni)6Sn5晶粒平均尺寸为1.3μm;然而,随着钎焊温度升高,Ni颗粒添加引起的晶粒细化程度开始减弱,当钎焊温度为340℃时,接头中(Cu,Ni)6Sn5晶粒平均尺寸为3.7μm,Cu3Sn层平均厚度为2.5μm。剪切实验表明接头断裂位置均发生在(Cu,Ni)6Sn5晶粒区,Ni含量为6 wt%时,剪切强度、杨氏模量、压痕硬度达到最大值,分别为:65.7MPa、159.502GPa、7.89GPa;随着钎焊温度提高,剪切强度降低,340℃接头剪切强度值为52.7 MPa。